Low-complexity LSMR equalisation of FrFT-based multicarrier systems in doubly dispersive channels

The discrete fractional Fourier transform (FrFT) has been suggested to enhance performance over DFT-based multicarrier systems when transmitting over doubly-dispersive channels. In this paper, we propose a novel low-complexity equaliser for inter-symbol and inter-carrier interference arising in such multicarrier transmission system. Due to a lower spreading in the FrFT-domain compared to the DFTchannel matrix as compared to the DFT domain, the equaliser cam approximate the fractional-domain channel matrix by a band matrix. Further, we utilise the least squares minres (LSMR) algorithm in the calculation of the equalisation, which exhibits attractive numerical properties and low complexity. Simulation results demonstrate the superior performance of the proposed LSMR equaliser over benchmark schemes

Channel Estimation Architectures for Mobile Reception in Emerging DVB Standards

Throughout this work, channel estimation techniques have been analyzed and proposed for moderate and very high mobility DVB (digital video broadcasting) receivers, focusing on the DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2) framework and the forthcoming DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) standard. Mobility support is one of the key features of these DVB specifications, which try to deal with the challenge of enabling HDTV (high definition television) delivery at high vehicular speed. In high-mobility scenarios, the channel response varies within an OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing) block and the subcarriers are no longer orthogonal, which leads to the so-called ICI (inter-carrier interference), making the system performance drop severely. Therefore, in order to successfully decode the transmitted data, ICI-aware detectors are necessary and accurate CSI (channel state information), including the ICI terms, is required at the receiver. With the aim of reducing the number of parameters required for such channel estimation while ensuring accurate CSI, BEM (basis expansion model) techniques have been analyzed and proposed for the high-mobility DVB-T2 scenario. A suitable clustered pilot structure has been proposed and its performance has been compared to the pilot patterns proposed in the standard. Different reception schemes that effectively cancel ICI in combination with BEM channel estimation have been proposed, including a Turbo scheme that includes a BP (belief propagation) based ICI canceler, a soft-input decision-directed BEM channel estimator and the LDPC (low-density parity check) decoder. Numerical results have been presented for the most common channel models, showing that the proposed receiver schemes allow good reception, even in receivers with extremely high mobility (up to 0.5 of normalized Doppler frequency).Doktoretza tesi honetan, hainbat kanal estimazio teknika ezberdin aztertu eta proposatu dira mugikortasun ertain eta handiko DVB (Digital Video Broadcasting) hartzaileentzat, bigarren belaunaldiko Lurreko Telebista Digitalean DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) eta hurrengo DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld) estandarretan oinarrututa. Mugikortasuna bigarren belaunaldiko telebista estandarrean funtsezko ezaugarri bat da, HDTV (high definition television) zerbitzuak abiadura handiko hartzaileetan ahalbidetzeko erronkari aurre egiteko nahian. Baldintza horietan, kanala OFDM (ortogonalak maiztasun-zatiketa multiplexing ) sinbolo baten barruan aldatzen da, eta subportadorak jada ez dira ortogonalak, ICI-a (inter-carrier interference) sortuz, eta sistemaren errendimendua hondatuz. Beraz, transmititutako datuak behar bezala deskodeatzeko, ICI-a ekiditeko gai diren detektagailuak eta CSI-a (channel state information) zehatza, ICI osagaiak barne, ezinbestekoak egiten dira hartzailean. Kanalaren estimazio horretarako beharrezkoak diren parametro kopurua murrizteko eta aldi berean CSI zehatza bermatzeko, BEM (basis expansion model) teknika aztertu eta proposatu da ICI kanala identifikatzeko mugikortasun handiko DVB-T2 eszenatokitan. Horrez gain, pilotu egitura egokia proposatu da, estandarrean proposatutako pilotu ereduekin alderatuz BEM estimazioan oinarritua. ICI-a baliogabetzen duten hartzaile sistema ezberdin proposatu dira, Turbo sistema barne, non BP (belief propagation) detektagailua, soft BEM estimazioa eta LDPC (low-density parity check ) deskodetzailea uztartzen diren. Ohiko kanal ereduak erabilita, simulazio emaitzak aurkeztu dira, proposatutako hartzaile sistemak mugikortasun handiko kasuetan harrera ona dutela erakutsiz, 0.5 Doppler maiztasun normalizaturaino.Esta tesis doctoral analiza y propone diferentes técnicas de estimación de canal para receptores DVB (Digital Video Broadcasting) con movilidad moderada y alta, centrándose en el estándar de segunda generación DVB-T2 (Digital Video Broadcasting - Terrestrial 2 ) y en el próximó estándar DVB-NGH (Digital Video Broadcasting - Next Generation Handheld ). La movilidad es una de las principales claves de estas especificaciones, que tratan de lidiar con el reto de permitir la recepción de señal HDTV (high definition television) en receptores móviles. En escenarios de alta movilidad, la respuesta del canal varía dentro de un símbolo OFDM (orthogonal frequency-division multiplexing ) y las subportadoras ya no son ortogonales, lo que genera la llamada ICI (inter-carrier interference), deteriorando el rendimiento de los receptores severamente. Por lo tanto, con el fin de decodificar correctamente los datos transmitidos, detectores capaces de suprimir la ICI y una precisa CSI (channel state information), incluyendo los términos de ICI, son necesarios en el receptor. Con el objetivo de reducir el número de parámetros necesarios para dicha estimación de canal, y al mismo tiempo garantizar una CSI precisa, la técnica de estimación BEM (basis expansion model) ha sido analizada y propuesta para identificar el canal con ICI en receptores DVB-T2 de alta movilidad. Además se ha propuesto una estructura de pilotos basada en clústers, comparando su rendimiento con los patrones de pilotos establecidos en el estándar. Se han propuesto diferentes sistemas de recepción que cancelan ICI en combinación con la estimación BEM, incluyendo un esquema Turbo que incluye un detector BP (belief propagation), un estimador BEM soft y un decodificador LDPC (low-density parity check). Se han presentado resultados numéricos para los modelos de canal más comunes, demostrando que los sistemas de recepción propuestos permiten la decodificación correcta de la señal incluso en receptores con movilidad muy alta (hasta 0,5 de frecuencia de Doppler normalizada)

Factor graph based detection approach for high-mobility OFDM systems with large FFT modes

In this article, a novel detector design is proposed for orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems over frequency selective and time varying channels. Namely, we focus on systems with large OFDM symbol lengths where design and complexity constraints have to be taken into account and many of the existing ICI reduction techniques can not be applied. We propose a factor graph (FG) based approach for maximum a posteriori (MAP) symbol detection which exploits the frequency diversity introduced by the ICI in the OFDM symbol. The proposed algorithm provides high diversity orders allowing to outperform the free-ICI performance in high-mobility scenarios with an inherent parallel structure suitable for large OFDM block sizes. The performance of the mentioned near-optimal detection strategy is analyzed over a general bit-interleaved coded modulation (BICM) system applying low-density parity-check (LDPC) codes. The inclusion of pilot symbols is also considered in order to analyze how they assist the detection process

Solutions for New Terrestrial Broadcasting Systems Offering Simultaneously Stationary and Mobile Services

221 p.[EN]Since the first broadcasted TV signal was transmitted in the early decades of the past century, the television broadcasting industry has experienced a series of dramatic changes. Most recently, following the evolution from analogue to digital systems, the digital dividend has become one of the main concerns of the broadcasting industry. In fact, there are many international spectrum authorities reclaiming part of the broadcasting spectrum to satisfy the growing demand of other services, such as broadband wireless services, arguing that the TV services are not very spectrum-efficient. Apart from that, it must be taken into account that, even if up to now the mobile broadcasting has not been considered a major requirement, this will probably change in the near future. In fact, it is expected that the global mobile data traffic will increase 11-fold between 2014 and 2018, and what is more, over two thirds of the data traffic will be video stream by the end of that period. Therefore, the capability to receive HD services anywhere with a mobile device is going to be a mandatory requirement for any new generation broadcasting system. The main objective of this work is to present several technical solutions that answer to these challenges. In particular, the main questions to be solved are the spectrum efficiency issue and the increasing user expectations of receiving high quality mobile services. In other words, the main objective is to provide technical solutions for an efficient and flexible usage of the terrestrial broadcasting spectrum for both stationary and mobile services. The first contributions of this scientific work are closely related to the study of the mobile broadcast reception. Firstly, a comprehensive mathematical analysis of the OFDM signal behaviour over time-varying channels is presented. In order to maximize the channel capacity in mobile environments, channel estimation and equalization are studied in depth. First, the most implemented equalization solutions in time-varying scenarios are analyzed, and then, based on these existing techniques, a new equalization algorithm is proposed for enhancing the receivers’ performance. An alternative solution for improving the efficiency under mobile channel conditions is treating the Inter Carrier Interference as another noise source. Specifically, after analyzing the ICI impact and the existing solutions for reducing the ICI penalty, a new approach based on the robustness of FEC codes is presented. This new approach employs one dimensional algorithms at the receiver and entrusts the ICI removing task to the robust forward error correction codes. Finally, another major contribution of this work is the presentation of the Layer Division Multiplexing (LDM) as a spectrum-efficient and flexible solution for offering stationary and mobile services simultaneously. The comprehensive theoretical study developed here verifies the improved spectrum efficiency, whereas the included practical validation confirms the feasibility of the system and presents it as a very promising multiplexing technique, which will surely be a strong candidate for the next generation broadcasting services.[ES]Desde el comienzo de la transmisión de las primeras señales de televisión a principios del siglo pasado, la radiodifusión digital ha evolucionado gracias a una serie de cambios relevantes. Recientemente, como consecuencia directa de la digitalización del servicio, el dividendo digital se ha convertido en uno de los caballos de batalla de la industria de la radiodifusión. De hecho, no son pocos los consorcios internacionales que abogan por asignar parte del espectro de radiodifusión a otros servicios como, por ejemplo, la telefonía móvil, argumentado la poca eficiencia espectral de la tecnología de radiodifusión actual. Asimismo, se debe tener en cuenta que a pesar de que los servicios móviles no se han considerado fundamentales en el pasado, esta tendencia probablemente variará en el futuro cercano. De hecho, se espera que el tráfico derivado de servicios móviles se multiplique por once entre los años 2014 y 2018; y lo que es más importante, se pronostica que dos tercios del tráfico móvil sea video streaming para finales de ese periodo. Por lo tanto, la posibilidad de ofrecer servicios de alta definición en dispositivos móviles es un requisito fundamental para los sistemas de radiodifusión de nueva generación. El principal objetivo de este trabajo es presentar soluciones técnicas que den respuesta a los retos planteados anteriormente. En particular, las principales cuestiones a resolver son la ineficiencia espectral y el incremento de usuarios que demandan mayor calidad en los contenidos para dispositivos móviles. En pocas palabras, el principal objetivo de este trabajo se basa en ofrecer una solución más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. La primera contribución relevante de este trabajo está relacionada con la recepción de la señal de televisión en movimiento. En primer lugar, se presenta un completo análisis matemático del comportamiento de la señal OFDM en canales variantes con el tiempo. A continuación, con la intención de maximizar la capacidad del canal, se estudian en profundidad los algoritmos de estimación y ecualización. Posteriormente, se analizan los algoritmos de ecualización más implementados, y por último, basándose en estas técnicas, se propone un nuevo algoritmo de ecualización para aumentar el rendimiento de los receptores en tales condiciones. Del mismo modo, se plantea un nuevo enfoque para mejorar la eficiencia de los servicios móviles basado en tratar la interferencia entre portadoras como una fuente de ruido. Concretamente, tras analizar el impacto del ICI en los receptores actuales, se sugiere delegar el trabajo de corrección de dichas distorsiones en códigos FEC muy robustos. Finalmente, la última contribución importante de este trabajo es la presentación de la tecnología LDM como una manera más eficiente y flexible para la transmisión simultánea de servicios fijos y móviles. El análisis teórico presentado confirma el incremento en la eficiencia espectral, mientras que el estudio práctico valida la posible implementación del sistema y presenta la tecnología LDM c